中科院科學家在改良的生物打印機上3D打印出正在跳動的心臟

導(dǎo)讀：生物3D打�,。�3D Bioprinting）技術(shù)利用3D打印機將含有細胞和生物材料的生物墨水（Bioink）打印出特定的形狀結(jié)構(gòu),，是最有希望實現(xiàn)在體外制造人類器官的新興技術(shù)之一,。然而，目前的生物3D打印機技術(shù)還無法制造具有生理功能且能夠長期存活的復(fù)雜器官,，其主要原因是現(xiàn)有的生物3D打印機只能在水平和豎直方向上“逐層累加”地打印細胞,，無法實現(xiàn)細胞和血管網(wǎng)絡(luò)的有機融合，從而導(dǎo)致打印后的細胞缺少營養(yǎng)供給而難以長期存活,。此外,，為使逐層打印的生物墨水能夠快速固定成型，現(xiàn)有生物3D打印技術(shù)均需在生物墨水中添加可固化的生物材料,，這些材料雖然可以在短時間內(nèi)固定細胞,，但會顯著影響細胞存活和功能。 　

南極熊獲悉,，為解決上述問題,，來自中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所王秀杰團隊與英國曼徹斯特大學教授王昌凌（Charlie C.L. Wang）團隊、清華大學教授劉永進團隊合作,，創(chuàng)造性地將六軸機器人改造成為生物3D打印機（六軸機器人生物打印機）,。

利用改造后的生物打印機，研究人員能夠制造出一個復(fù)雜形狀的血管支架,，而不會造成細胞損傷或阻止細胞生長和功能,，這是目前生物打印方法的常見挑戰(zhàn),。通過3D生物打印的血管化心臟組織可以在6個月內(nèi)保持活力和跳動，表明它有望成為未來生物打印功能組織和器官的一種可行方法,。

研究團隊還設(shè)計了一種可重復(fù)打印的生物打印方法,，可以生成含有血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜組織或器官，且具備長期生存能力和關(guān)鍵功能,。

中科院研究人員的新型生物打印平臺,。圖片來自生物活性材料。

3D生物打印組織

近10年來,，3D生物打印技術(shù)在開發(fā)可行的病人特定組織方面取得了重大進展,。雖然距離完全打印的器官仍有一定的距離，但一些生物打印公司和研究團隊已經(jīng)在正確的方向上取得了顯著的成績,。例如,，3D打印機制造商3D Systems公司在收購了生物打印技術(shù)開發(fā)商Volumetric biotechnologies公司后，正在擴大其生物打印項目,，而生物打印初創(chuàng)公司Brinter正在尋求通過其新的入門級3D打印機Brinter Core來打開生物打印的可及性。在其他地方,，再生醫(yī)學公司CTIBIOTECH已經(jīng)發(fā)布了一個新的3D生物打印平臺,，為結(jié)腸癌患者提供個性化的藥物。

生物打印領(lǐng)域在專利技術(shù)方面的也不斷有著新的突破,，BICO最近獲得了兩項新的3D打印熱敏生物技術(shù)的專利,，再生醫(yī)學公司Matricelf獲得了特拉維夫大學正在申請專利的3D生物打印技術(shù)，用于器官和組織植入,。最近,，生物工程初創(chuàng)公司TrestleBiotherapeutics獲得了一項新的3D生物打印技術(shù)的許可，該技術(shù)可以制造出功能性的人類腎臟組織,。

最近,，在再生醫(yī)學上出現(xiàn)了專門用于生物打印血管的新生物墨水，成功地3D打印出活體腦細胞,，以及能夠制造功能性生物打印肝臟的新容積式3D打印工藝,。

六軸機器人生物打印機不會對細胞造成損害，并支持多維細胞打印,。圖片來自Bioactive Materials,。

新型生物打印平臺

在他們的最新研究中，中科院的研究人員試圖克服目前在生物打印過程中血管網(wǎng)絡(luò)整合的挑戰(zhàn),。目前的大多數(shù)技術(shù)依賴于通過向生物墨水中添加人工生物材料來固定打印的細胞,，這可能會抑制細胞功能和新血管的形成，這反過來又降低了打印結(jié)構(gòu)的生物功能及其長期生存能力,。

該團隊首先將一個六軸機械臂改裝為3D生物打印機,，以實現(xiàn)從各個方向打印細胞,。為了避免生物材料的凝固，研究人員還設(shè)計了一個基于油浴的細胞打印系統(tǒng),，通過疏水性,，或排斥水的過程，將打印的細胞轉(zhuǎn)化為血管支架,。這意味著血管支架能更好地保持其細胞活性,，同時也能促進細胞間接觸的形成。

隨后,，團隊利人員用改裝的生物打印機和油浴設(shè)計了一種可重復(fù)打印和可進行細胞培養(yǎng)的生物打印策略,，其靈感來自于自然器官的發(fā)育過程。他們將單層和多層細胞打印到血管支架上,，并在一定時間內(nèi)進行培養(yǎng),，以誘導(dǎo)細胞間接觸的形成和新血管的生長。然后,，對支架和已經(jīng)打印的細胞進行新一輪的生物打印,。

3D打印的人造血管能夠進行血管生成和脈管生成。圖片來自生物活性材料,。

生物打印一個跳動的心臟

研究人員認為,，從理論上講，他們的打印和培養(yǎng)過程可以制造出功能復(fù)雜的組織,，甚至是完整的器官,，這些組織與血管網(wǎng)絡(luò)相連，能夠長期存活,。

研究團隊通過3D打印一塊血管化的心臟組織證明了他們的想法,，該組織保持了有節(jié)奏的跳動，并被認定為可以存活至少六個月,。然后,，他們建立了一個雙機器人平臺，以便在復(fù)雜形狀的血管支架上同時實現(xiàn)多種類型細胞的生物打印,。

展望未來,，研究人員認為他們的新型生物打印平臺突破了傳統(tǒng)生物3D打印的平層局限，為在體外環(huán)境中制造大規(guī)模和功能性人工組織和器官提供了一個潛在的新策略,。

關(guān)于這項研究的更多信息可以在《生物活性材料》雜志上發(fā)表的題為："Amulti-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell functionpreservation and cardiac tissue fabrication"的論文中找到,。這項研究的共同作者是Zhang, C. Wu, C. Dai, Q. Shi, G. Fang, D. Xie, X. Zhao, Y. Liu, C.Wang, 和X. Wang。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22000743?via%3Dihub